Читатель уже, наверное, догадался, как можно железом резать алмаз. Действительно, если положить на алмаз железную проволоку и нагреть в вакууме эту систему, то атомы углерода начнут «внедряться» в железо, алмаз будет растворяться, и проволока его разрежет! Но беда в том, что процесс растворения углерода в железе не бесконечен. Проволока сравнительно быстро насытится углеродом, и процесс «резания» сначала резко замедлится, а потом прекратится совсем. Следовательно, из железной проволоки надо все время убирать углерод, тогда она не будет терять своих режущих свойств. Но как это сделать? Якутские ученые дали исчерпывающий ответ на этот вопрос.
Дело в том, что при растворении алмаза в железе происходит разрыв прочных ковалентных связей, которые существуют между атомами углерода в решетке алмаза. В твердом растворе внедрения, который образуется в железе при 1000 °C, углерод практически находится в атомарном состоянии, испытывая лишь слабое химическое взаимодействие с металлом-растворителем. Поэтому растворенные в железе атомы углерода значительно более активны, чем в алмазе. При температуре «резания» (1000 °C) алмаз не способен взаимодействовать с водородом или углекислым газом, а растворенный в железе углерод хорошо с ними взаимодействует. Реакция протекает на поверхности металла и сопровождается образованием газообразных продуктов: метана или окиси углерода.
Если на алмаз поместить тонкую железную пластинку и нагревать ее до указанной температуры в атмосфере водорода, углерод начнет растворяться в железе и за счет диффузии двигаться в направлении поверхности пластинки. Достигнув ее, он «найдет» водород и, соединившись с ним, образует метан, который тут же покинет пластинку. Растворяя углерод алмаза своей нижней поверхностью и передавая его газу верхней, пластинка будет равномерно погружаться в алмаз. Скорость погружения, она же скорость резания, будет зависеть от температуры, толщины пластинки, состава, давления и скорости протекания газа над пластинкой. А форма образующейся в алмазе полости с вертикальными стенками будет полностью соответствовать выбранной форме погружаемого в него железа или сплава на его основе.
Термохимическим способом обработки алмаза в Якутском институте геологии «гравировали» на его кристаллах всевозможные рисунки, вырезали шестеренки, делали отверстия заданного диаметра. Были разработаны также термохимические методы шлифовки и обработки некоторых видов поликристаллических алмазных пеков. Так система железо — алмаз нашла практическое применение почти через полтораста лет после опытов П. П. Аносова.
Легче алюминия и прочнее стали
Исследование свойств различных композиционных материалов показало, что не только по прочности, но и по другим физико-механическим свойствам они превосходят каждый компонент, входящий в их состав. Созданы композиционные материалы, выдерживающие большие нагрузки, подвергающиеся большому тепловому воздействию, выдерживающие частые и резкие смены температур. Например, введением волокон асбеста в керамику можно повысить в несколько раз ее способность выносить тепловые удары. Волокна асбеста, как стальная арматура железобетона, связывают зерна огнеупора и удерживают их при резких перепадах температур от распада. Если изготовить трубку из керамической массы шамота, добавив в качестве высокотемпературного связующего скелета волокна каолина, то термостойкость шамота возрастает в десятки и даже сотни раз, Без подобных материалов сегодня немыслимы атомоходы, сверхзвуковые самолеты и космическая аппаратура.
Волокнистые композиционные материалы конструируются из металлической или керамической основы и упрочняющего волокна различного строения. Для получения волокон в зависимости от необходимых свойств используют самые разнообразные материалы: проволоку из молибдена или вольфрама, жаропрочной и жаростойкой стали, окись алюминия, каолин, графит, различные бориды, карбиды и нитриды. Каждый из таких волокон обеспечивает материалу определенный комплекс свойств. Введение волокон в матрицу чаще всего осуществляется методом формования волокон и порошка материала для матрицы или пропиткой волокон жидким металлом матрицы.
Очень напоминают технологию приготовления сварочного булата методы производства волокнистых композиционных материалов, упрочненных проволокой. Такие материалы разделяются на армированные проволоками, армированные сетками и армированные проволочными волокнами ограниченной длины. В последнем случае отдельные проволочные волокна располагаются в матрице в виде включений.
Прочность кобальта, нихрома и других сплавов, армированных вольфрамовой или молибденовой проволокой при температурах 300–1100 °C, повышается в несколько раз. Армирование серебра волокнами окиси алюминия повышает его прочность в 5 раз. Алюминий, упрочненный волокнами окиси кремния, имеет прочностные свойства лучших алюминиевых сплавов. По данным ряда исследований, введение в вольфрам частиц тугоплавких окислов или карбидов и боридов повышает его длительную прочность и срок службы в 25–50 раз.
Все большее значение приобретают в технике композиционные материалы, армированные монокристаллами — усами или нитевидными кристаллами. Нитевидные кристаллы повышенной прочности встречаются и в природе. К таким кристаллам можно отнести нефрит — разновидность минерала актинолита (лучистого камня, от греч. «актис» — луч, «литое» — камень). Нефрит состоит из игольчато-лучистых, иногда волосовидных агрегатов. Его цвет может меняться в зависимости от содержания в нем закиси железа от светлых зеленовато-серых тонов до темно-зеленых. С древнейших времен нефрит ценят как необычайно прочный поделочный камень. В Самарканде в мавзолее Гур-Эмир выделяется строгой красотой темно-зеленое нефритовое надгробие Тимура.
Мы уже рассказывали об огромной прочности металлических усов. Однако наиболее прочными из всех известных материалов являются графитовые нитевидные кристаллы — их прочность на растяжение достигает 20000 МПа, а модуль упругости составляет 106 МПа. И все это при относительной легкости материала. Известны два способа получения усов графита: в дуге с графитовыми электродами, горящей при высоком давлении, и при термическом разложении углеводородов.
Сапфир — одна из форм существования оксида алюминия. Нитевидные волокна сапфира получают из расплавленной окиси алюминия. Устройством для вытягивания волокон служит молибденовый капилляр, укрепленный на дне молибденового тигля. Расплав окиси алюминия при температуре плавления 2050 °C поднимается по капилляру, захватывается затравкой, с помощью которой вытягивается волокно. Вытягивание волокон диаметром 0,1–0,5 мм производится с достаточно большой скоростью. Прочность сапфировых волокон при растяжении достигает 2600 МПа.
К сожалению, до настоящего времени не разработаны эффективные методы введения нитевидных кристаллов в различные матрицы. Не изучены также в достаточной мере методы предотвращения взаимодействия и достижения необходимой степени сцепления нитевидных кристаллов с матрицей. Это в значительной мере препятствует достижению высокого уровня упрочнения и позволяет использовать только малую часть чрезвычайно высоких свойств нитевидных кристаллов. Кроме того, производство нитевидных кристаллов пока еще очень сложно, и они еще очень дороги.
Правда, в настоящее время освоено промышленное производство усов сапфира и карбида кремния. Цена за последнее время на них снизилась более чем в 200 раз. Волокна сапфира характеризуются высокой химической инертностью к металлам, что дает возможность использовать их в качестве упрочнителей никелевых, кобальтовых, титановых и других сплавов для работы при высоких температурах. Нитевидные кристаллы сапфира (прочность 7000 МПа) и карбида кремния (прочность — 12000 МПа) в будущем станут широко использоваться в качестве армирующих материалов.
Для эффективного использования волокон, как уже отмечалось, необходимо решить проблему хорошего сцепления твердых и прочных нитевидных кристаллов с мягкой и пластичной металлической матрицей. Разрешима ли эта проблема? Оказывается, да! Недавно было найдено, что покрытие из сплава железо — никель — кобальт, нанесенное на поверхность усов сапфира вакуумным напылением, обеспечивает достаточно прочное сцепление волокон этого материала со сплавом никель — палладий. Установлено также, что предварительная обработка поверхности углеродных волокон или нанесение на них барьерного слоя металлов, карбидов или нитридов значительно улучшает их смачиваемость металлом матрицы, а следовательно, и прочность сцепления с ней.